KR102134120B1 - 저 프로파일 센서 및 이를 포함하는 전기화학 전지 - Google Patents

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Abstract

전기화학 전지는 디바이스(들)가 배터리 전지 조건을 감지하고 전지 제어 기능을 능동적으로 수행하는 것을 가능하게 하는 공통 운반 물질 상에 고체 상태 디바이스 또는 일련의 고체 상태 디바이스를 포함하는 가요성(flexible) 저 프로파일 센서 디바이스를 갖는다. 센서 디바이스의 적어도 일부는 전지의 외부에 존재한다. 스택으로 배치될 때, 센서를 포함하는 전지는 통신 네트워크를 자동으로 형성한다.

Description

저 프로파일 센서 및 이를 포함하는 전기화학 전지
본 발명은 일반적으로, 공통 운반 물질 상에 고체 상태 디바이스 또는 일련의 고체 상태 디바이스를 포함하고 배터리 전지 조건을 검출하고 전지 제어 기능을 능동적으로 수행하는 저 프로파일 센서를 갖는 전기화학 전지에 관한 것이다.
배터리 팩은 그 범위가 휴대용 전자 장치로부터 재생가능한 전력 시스템 및 친환경 차량에 이르기까지 다양한 기술에 전력을 제공한다. 예를 들면, 하이브리드 전기 차량(HEV)은 연료 효율을 높이기 위해 연소 엔진과 결부하여 배터리 팩 및 전기 모터를 이용한다. 배터리 팩은 복수의 배터리 모듈로 형성되고, 여기서 각각의 배터리 모듈은 몇몇 전기화학 전지를 포함한다. 배터리 모듈 내에서, 전지는 2 또는 3차원 어레이로 배열되고 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된다. 마찬가지로, 배터리 팩 내의 배터리 모듈은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된다.
본 발명의 목적은 일반적으로, 공통 운반 물질 상에 고체 상태 디바이스 또는 일련의 고체 상태 디바이스를 포함하고 배터리 전지 조건을 검출하고 전지 제어 기능을 능동적으로 수행하는 저 프로파일 센서를 갖는 전기화학 전지를 제공하는 것이다.
일부 양태에서, 저 프로파일 센서 디바이스는 공통 캐리어 상에 배치되는 고체 상태 디바이스 또는 일련의 고체 상태 디바이스를 포함한다. 고체 상태 디바이스(들)는 일련의 직렬 배터리 전지에서 충전 상태 밸런싱을 가능하게 하기 위해 센서 디바이스가 전압 및 온도와 같은 배터리 전지 조건을 감지하고 또한, 배터리 전지 에너지의 드레이닝(draining)과 같은 기능을 능동적으로 수행하는 능력을 제공하는 것을 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 센서 디바이스는 전지 내에 적어도 부분적으로 내장될 수 있다. 다른 실시예에서, 센서 디바이스는 전지의 외부 표면 상에 배치된다.
일부 양태에서, 단일 전극 쌍 전기화학 전지는 내향 측 상에 붙여지는 제 1 활성 물질을 갖는 애노드 포일 기판(anode foil substrate), 내향 측 상에 붙여지는 제 2 활성 물질을 갖는 캐소드 포일 기판, 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 분리기 시트, 포일의 주위를 따라 배치되는 핫 멜트 실런트(hot melt sealant) 또는 압력 감지 접착제와 같은 밀봉재, 및 밀봉재에 의해 기판 사이에 밀봉된 전해질을 포함한다. 기판은 불투과성 층, 인클로저(enclosure) 및 전극으로서 작용한다. 따라서, 본 명세서에서 이용된 바와 같은, 용어 "기판" 및 "전극"은 상호교환가능하다. 전극 사이의 밀봉재 층은 그들 둘레 주위로 연장하여 전극을 제자리에 고정시키고 전극 사이의 전기적 단락을 방지한다. 단일 전극 쌍 전기화학 전지는 극도로 얇고, 따라서 전지를 배터리 관리 시스템(BMS)에 연결하기 위해 감지 리드 및 별개의 디바이스를 실제로 부착하는 방법에 대한 문제를 제기한다. 이것은 종래의 감지 리드 중 일부가 단일 전극 쌍 전기화학 전지보다 훨씬 부피가 커서, 전지 조건을 감지하기 어렵게 만들기 때문이다.
일부 실시예에서, 이 어려움을 해결하는 센서 디바이스는 전자 디바이스와 통신하기 위해 종래의 통신 시스템 및 방법을 또한 유지하는 소형의 저 프로파일 회로 보드에 배터리 전지 감지 전자 장치를 외부적으로 장착하기 위해 이용되는 적어도 하나의 반도체 및 가요성 회로 보드(flexible circuit board)를 포함한다. 부가적으로, 통신 네트워크는 외부 배선의 부가 없이 조립 공정 동안 자동으로 생성된다.
일부 실시예에서, 이 어려움을 해결하는 센서 디바이스는 공통 캐리어 상에 배치되는 고체 상태 디바이스 또는 일련의 고체 상태 디바이스를 포함한다. 고체 상태 디바이스(들)는 일련의 직렬 배터리 전지에서 충전 상태 밸런싱을 가능하게 하기 위해 센서 디바이스가 전압 및 온도와 같은 배터리 전지 조건을 감지하고 또한, 배터리 전지 에너지의 드레이닝과 같은 기능을 능동적으로 수행하는 능력을 제공하는 것을 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 이 어려움을 해결하는 센서 디바이스는 전자 디바이스와 통신하기 위해 종래의 통신 시스템 및 방법을 또한 유지하는 소형의 저 프로파일 회로 보드에 배터리 전지 감지 전자 장치를 장착하기 위해 이용되는 적어도 하나의 반도체 및 가요성 회로 보드를 포함한다. 특히, 센서 디바이스의 센서부는 BMS에 별개의 또는 직접 배선을 구현할 필요 없이 초박형 배터리 전지에 직접적으로 배치된다. 일부 실시예에서, 센서부는 전극 사이에 존재하도록 전극을 연결(join)하기 위해 이용된 밀봉재 내에 내장된다.
일부 양태에서, 전기화학 전지는 전지의 외부 표면의 제 1 부분을 형성하고 양 전지 단자를 제공하는 단일 양극, 및 전지의 외부 표면의 제 2 부분을 형성하고 음 전지 단자를 제공하는 단일 음극을 포함한다. 전기화학 전지는 양극과 음극 사이에 배치되는 분리기를 포함하고, 양극, 음극 및 분리기는 적층된 구성으로 배열된다. 전기화학 전지는 양극의 주변 에지와 음극의 주변 에지 사이에 밀봉을 연결하고 형성하는 밀봉재 층, 및 회로 보드 및 회로 보드 상에 지지되는 전자 디바이스를 포함하는 센서 디바이스를 포함하고, 전자 디바이스는 센서 및 통신 디바이스를 포함한다. 센서 디바이스는 양극 및 음극 중 하나와 물리적으로 접촉하고, 전기적으로 연결되며, 센서 디바이스의 적어도 제 1 부분은 전지의 외부에 배치된다.
전기화학 전지는 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 센서 디바이스는 센서에 전기적으로 연결되는 전기 전도성 센서 접촉 패드를 포함하는 제 2 부분을 포함하고, 센서 디바이스의 제 2 부분은 전지의 외부 표면 상에 배치된다. 센서 디바이스의 제 1 부분은 통신 디바이스에 전기적으로 연결되는 전기 전도성 접촉 패드를 포함한다. 센서 접촉 패드는 전체적으로 전지 내에 배치된다. 센서 접촉 패드는 밀봉재 층 내에 내장된다. 센서 디바이스는 센서에 전기적으로 연결되는 전기 전도성 센서 접촉 패드를 포함하는 제 2 부분을 포함하고, 센서 디바이스의 제 2 부분은 양극과 음극 사이에 배치되고, 둘 모두와 물리적으로 접촉한다. 센서 접촉 패드는 양극에 전기적으로 연결되는 제 1 센서 접촉 패드 및 음극에 연결되는 제 2 센서 접촉 패드를 포함한다. 센서 디바이스의 제 1 부분은 송신기에 전기적으로 연결되는 전기 전도성 송신기 접촉 패드, 및 수신기에 전기적으로 연결되는 전기 전도성 수신기 접촉 패드를 포함한다. 회로 기판은 가요성이다. 전자 디바이스는 배터리 전지 모니터링 기능 및 배터리 전지 제어 기능 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는 집적 회로이다.
일부 양태에서, 배터리 모듈은 적층된 구성으로 배치된 전기화학 전지, 및 센서 디바이스를 포함한다. 각각의 센서 디바이스는 전기화학 전지 중 고유 전기화학 전지에 전기적으로 연결되고, 각각의 센서 디바이스는 통신 네트워크를 자동으로 형성하기 위해 인접한 전기화학 전지의 센서 디바이스와 물리적으로 접촉하고, 상기 인접한 전기화학 전지의 센서 디바이스와의 전기적 연결을 형성한다.
배터리 모듈은 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 각각의 센서 디바이스는 회로 기판 및 회로 기판의 제 1 측 상에 지지되는 통신 디바이스를 포함하고, 통신 디바이스는 송신기 및 송신기 중 적어도 하나를 포함하고, 각각의 센서 디바이스는 회로 기판의 제 1 측 상에 배치된 전기 전도성 제 1 접촉 패드 및 회로 기판의 제 2 측 상에 배치된 전기 전도성 제 2 접촉 패드를 포함하고, 제 1 접촉 패드는 통신 디바이스에 전기적으로 연결되고, 제 1 접촉 패드 및 제 2 접촉 패드는 제 1 측으로부터 제 2 측으로 회로 기판을 관통하는 비아(via)에 의해 전기적으로 연결되고, 하나의 전기화학 전지의 제 1 및 제 2 접촉 패드 중 하나는 물리적으로 접촉되고 인접한 전기화학 전지의 제 1 및 제 2 접촉 패드 중 하나에 전기적으로 연결되며, 그에 의해 통신 네트워크 중 적어도 일부가 자동으로 형성된다.
배터리 모듈은 또한, 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 각각의 센서 디바이스는 센서 디바이스가 연결되는 전기화학 전지 중 고유 전기화학 전지에 의해 전력이 공급된다. 각각의 센서 디바이스는 인접한 센서 디바이스 사이의 직렬 연결의 형성 시에 전력이 공급되도록 구성된다. 각각의 전기화학 전지는 전지의 외부 표면의 제 1 부분을 형성하고 양 전지 단자를 제공하는 단일 양극, 전지의 외부 표면의 제 2 부분을 형성하고 음 전지 단자를 제공하는 단일 음극, 및 양극과 음극 사이에 배치되는 분리기를 포함하고, 양극, 음극 및 분리기는 적층된 구성으로 배열된다. 각각의 전기화학 전지는 양극의 주변 에지와 음극의 주변 에지 사이에 밀봉을 연결하고 형성하는 밀봉재 층을 포함하고, 각각의 센서 디바이스는 회로 기판 및 회로 기판 상에 지지되는 센서를 포함한다. 센서 디바이스는 양극 및 음극 중 하나와 물리적으로 접촉하고, 전기적으로 연결되며, 센서 디바이스의 적어도 제 1 부분은 전지의 외부에 배치된다.
배터리 모듈은 또한, 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 전기화학 전지 중 주어진 고유 전기화학 전지의 센서 디바이스는 전기화학 전지 중 주어진 고유 전기화학 전지의 양극 및 음극 중 하나의 외부 표면 상에 배치되고, 상기 주어진 고유 전기화학 전지의 양극 및 음극 중 하나와 물리적으로 접촉하고, 전기화학 전지 중 주어진 고유 전기화학 전지의 센서 디바이스는 인접한 전기화학 전지의 양극 및 음극 중 다른 하나와 물리적으로 접촉하며, 그에 의해 센서 디바이스는 전기화학 전지 중 주어진 고유 전기화학 전지 및 인접한 전기화학 전지에 의해 전력이 공급된다. 전기화학 전지 중 주어진 고유 전기화학 전지의 센서 디바이스의 일부는 양극과 음극 사이에 배치되고, 둘 모두와 물리적으로 접촉하며, 그에 의해 센서 디바이스는 센서 디바이스가 연결되는 전기화학 전지 중 주어진 고유 전기화학 전지에 의해 전력이 공급된다. 배터리 모듈은 모듈 하우징을 포함하고, 전기화학 전지는 모듈 하우징 내에 배치된다.
도 1은 각각의 배터리 모듈이 4개의 단일 전극 쌍 전지를 포함하는 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 개략적인 단면도.
도 2는 단일 전극 쌍 전지의 단면도.
도 3은 센서 디바이스의 상부 평면도.
도 4는 도 3의 센서 디바이스의 하부 평면도이다.
도 5는 전지로 조립된 도 3의 센서 디바이스의 개략적인 단면도.
도 6은 전지 스택의 각각의 전지가 도 3의 센서 디바이스를 포함하는 전지 스택의 일부의 분해된 단면도이고, 여기서 센서 디바이스는 인접한 전지의 센서 디바이스가 서로 접촉하도록 배열되며, 접촉 위치는 점선으로 표시된다.
도 7은 감지 디바이스가 맨위에 서로 배치될 때 자동적으로 형성되는 통신 네트워크의 표현을 도시한 도면.
도 8은 일 대안적인 실시예 센서 디바이스의 상부 평면도.
도 9는 도 8의 센서 디바이스의 하부 평면도.
도 10은 전지로 조립된 도 8의 센서 디바이스의 개략적인 단면도.
도 11은 전지 스택의 각각의 전지가 도 8의 센서 디바이스를 포함하는 전지 스택의 일부의 분해된 단면도이고, 여기서 센서 디바이스는 인접한 전지의 센서 디바이스가 서로 접촉하도록 배열되며, 접촉 위치는 점선으로 표시된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 모듈(6)은 배터리 모듈 하우징(8) 내에 조직화된 방식으로 전기적으로 상호연결되고 저장되는 전기화학 전지(20)를 포함하는 발전 및 저장 디바이스이다. 예를 들면, 전지(20)는 하나가 다른 것 위에 배열되어 전지 스택(10)을 형성할 수 있다. 전지(20)가 배터리 모듈 하우징(8) 내에서 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결될 수 있을지라도, 적층된 장치는 그 자체가 스택(10)의 전지(20) 사이의 일련의 전기적 연결의 형성에 이른다. 여러 개의 배터리 모듈들(6)은 배터리 팩 하우징(4)에 배치되어 배터리 팩(2)을 형성할 수 있고, 배터리 팩 하우징(4) 내에서, 배터리 모듈(6)은 직렬로 또는 병렬로 전기적으로 연결된다. 가요성 센서 디바이스(40)는 모듈의 전지(20) 사이 및/또는 전지(20)와 다른 디바이스 사이의 통신 네트워크를 형성하기 위해 이용될 수 있는 각각의 전지(20)에 고정된다. 가요성 센서 디바이스(40)는 하기에 상세하게 설명된다.
단일 층 전지(20)는 적층된 도체 분리기 도체 구성으로 배열되는 단일 양극(22), 단일 분리기(30) 및 단일 음극(26)을 포함하는 리튬 이온 전지이다. 양극(22)은 제 1 전기 전도성 물질로 형성되고 내향 측 상에 배치된 제 1 활성 물질 층(24)을 갖는 제 1 포일 기판을 포함한다. 예를 들면, 양극(22)은 구리 포일로 형성되고 내향 측 상에 배치된 흑연 활성 물질 층(24)을 포함할 수 있다. 음극(26)은 제 2 전기 전도성 물질로 형성되고 내향 측 상에 배치된 제 2 활성 물질 층(28)을 갖는 제 2 포일 기판을 포함한다. 예를 들면, 음극(26)은 알루미늄 포일로 형성되고 내향 측 상에 배치된 리튬화된 금속 산화물 활성 물질 층(28)을 포함할 수 있다.
전지(20)는 양 및 음극(22, 26) 사이에 배치된 분리기(30)를 포함한다. 분리기(30)는 전해질에서 제공되고 전지(20) 내의 전류의 통과 동안 회로를 폐쇄하기 위해 필요한 이온 전하 캐리어의 통과를 또한 허용하면서 양 및 음극(22, 26)을 분리하여 전기적 단락을 방지하는 기능을 하는 투과성 막(permeable membrane)이다. 분리기(30)는 예를 들면, 3층 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌 막과 같은 전기적으로 절연된 물질로 형성된다.
양 및 음극(22, 26)의 주변(23, 27)를 따라 핫 멜트 실런트 또는 압력 감지 접착제와 같은 밀봉재 층(36)이 배치되고, 밀봉재에 의해 양 및 음극(22, 26) 사이에 전해질이 밀봉된다. 밀봉재 층(36)은 양 및 음극(22, 26)의 둘레 주위로 그들을 형성하는 기판 사이에 배치되어 기판을 제자리에 고정시키고 기판 사이의 전기적 단락을 방지한다.
전지(20)가 양 및 음극(22, 26)과 분리기(30)의 적층된 배열로 형성되기 때문에, 전지(20)는 일부 종래의 전지에 비해 매우 얇다. 전지 두께의 비 제한적인 예로서, 일부 실시예에서, 전지(20)는 0.5 mm 내지 1.5 mm의 범위에서 양 및 음극 외부 표면 사이의 간격에 대응하는 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 전지(20)는 0.2 mm 내지 0.5 mm 범위의 두께를 가질 수 있다.
도시된 실시예에서, 4개의 전지(20)는 적층된 구성으로 모듈 하우징(8) 내에 배열된다. 그러나, 전지 스택(10)이 특정 애플리케이션에 의해 요구되는 바와 같이 더 많거나 적은 수의 전지를 포함할 수 있음이 고려된다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 전지 스택(10)은 약 100개의 전지(20) 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 모듈 하우징(8)은 양(+) 버스 바(52), 음(-) 버스 바(54)를 포함한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 센서 디바이스(40)는 모듈(6)의 전지(20) 중 적어도 하나에 연결된다. 센서 디바이스(40)는 일련의 직렬 배터리 전지에서 충전 상태 밸런싱을 가능하게 하기 위해 전압 및 온도와 같은 배터리 전지 조건의 검출을 허용하고, 또한 배터리 전지 에너지의 드레이닝과 같은 기능을 능동적으로 수행할 수 있는 능력을 제공하는 가요성의 저 프로파일 디바이스이다. 게다가, 센서 디바이스(40)는 다수의 전지(20)가 적층된 구성으로 배열될 때, 각각의 센서 디바이스(40)가 수동 연결, 용접 등을 필요로 하지 않고, 통신 네트워크를 자동으로 형성하도록 구성된다. 이들 및 다른 특징은 하기에 상세하게 설명된다.
센서 디바이스(40)는 가요성 회로 보드(44) 형태의 캐리어 및 회로 보드(44) 상에 지지된 전자 디바이스(42)를 포함한다. 전자 디바이스(42)는 하나 이상의 집적 회로(IC) 또는 주문형 반도체(application specific integrated circuits; ASIC)를 포함할 수 있지만, 그것으로 제한되지 않는다. 도시된 실시예에서, IC 형태의 단일 전자 디바이스(42)가 제공된다. 전자 디바이스(42)는 온도, 배터리, 전압 등을 검출하도록 구성된 하나 이상의 센서, 센서(들)에 의해 생성된 정보를 배터리 모니터링 시스템(BMS)(도시되지 않음)과 같은 외부 디바이스로 송신하는 송신기, 및 BMS로부터의 명령을 포함하는 정보를 수신하는 수신기를 포함한다.
도시된 실시예에서, 회로 보드(44)는 얇고 가요성인 전기 절연 물질로 형성된다. 게다가, 회로 보드(44)는 상부 평면에서 보여질 때 일반적으로 형상이 직사각형이다. 회로 보드(44)는 적층된 구조를 갖고 적어도 2개의 층으로 형성될 수 있다.
센서(들), 송신기 및 수신기는 각각 회로 보드(44)의 대향 측(47, 48)의 각각 상에 대응하는 전기 접촉 패드(60, 62, 64)를 포함한다. 전기 접촉 패드(60, 62, 64)는 구리와 같은 전기 전도성 물질로 형성되고, 회로 보드(44)의 가장 바깥쪽 층의 외향 표면 상에 제공된다.
센서 접촉 패드(60)는 센서 디바이스(40)가 전압 감지 및/또는 온도 감지를 수행하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 센서 접촉 패드(60)는 IC(42)에 전력을 공급하고/하거나 그것을 방전시킴으로써 전지(20)를 밸런싱하기 위해 센서 디바이스(40)가 전지로부터 에너지를 끌어내는 것을 가능하게 한다. 특히, 센서(들)는 회로 보드(44)의 제 1 표면(47) 상에 배치되는 제 1 센서 접촉 패드(60(1)) 및 회로 보드(44)의 제 2 표면(48) 상에 배치되는 제 2 센서 접촉 패드(60(2))를 포함한다. 제 1 센서 접촉 패드(60(1))는 회로 보드(44)를 관통하는 비아(61)에 의해 제 2 센서 접촉 패드(60(2))에 전기적으로 연결된다. 제 1 및 제 2 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))는 하기에 더 논의된 바와 같이, 양 및 음극(24, 26) 중 하나의 기판에 대한 전기적 연결을 가능하게 한다. 제 1 센서 접촉 패드(60(1))는 회로 보드(44)의 제 1 표면(47) 상에 제공되는 전기 전도성 제 1 트레이스(51)에 의해 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결된다.
송신기 접촉 패드(62) 및 수신기 접촉 패드(64)는 센서 디바이스(40)가 전지 스택(10)의 다른 센서 디바이스 및 BMS와 같은 마스터 제어기와 직렬 통신하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 송신기 및 수신기 접촉 패드(62, 64)는 전지 스택(10) 내의 통신 네트워크의 형성을 가능하게 한다.
송신기는 회로 보드 제 1 표면(47) 상에 배치되는 제 1 송신기 접촉 패드(62(1)) 및 회로 보드 제 2 표면(48) 상에 배치되는 제 2 송신기 접촉 패드(62(2))를 포함한다. 제 1 송신기 접촉 패드(62(1))는 회로 보드(44)를 관통하는 비아(63)에 의해 제 2 송신기 접촉 패드(62(2))에 전기적으로 연결된다. 제 1 및 제 2 송신기 접촉 패드(62(1), 62(2))는 전지 스택(10)에서의 상부 및/또는 하부 전지와 같은 인접한 전지(20)에 부착된 동일한 센서 디바이스(40)의 송신기에 대한 전기적 연결 및 상기 송신기와의 통신을 가능하게 한다. 제 1 송신기 접촉 패드(62(1))는 회로 보드(44)의 제 1 표면(47) 상에 제공되는 전기 전도성 제 2 트레이스(53)에 의해 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결된다.
유사하게, 수신기는 회로 보드 제 1 표면(47) 상에 배치되는 제 1 수신기 접촉 패드(64(1)) 및 회로 보드 제 2 표면(48) 상에 배치되는 제 2 수신기 접촉 패드(64(2))를 포함한다. 제 1 수신기 접촉 패드(64(1))는 회로 보드(44)를 관통하는 비아(65)에 의해 제 2 수신기 접촉 패드(64(2))에 전기적으로 연결된다. 제 1 및 제 2 수신기 접촉 패드(64(1), 64(2))는 전지 스택(10)에서의 상부 전지 및/또는 하부 전지와 같은 인접한 전지(20)에 부착된 동일한 센서 디바이스(40)의 수신기에 대한 전기적 연결 및 상기 수신기와의 통신을 가능하게 한다. 제 1 수신기 접촉 패드(64(1))는 회로 보드(44)의 제 1 표면(47) 상에 제공된 전기 전도성 제 3 트레이스(55)에 의해 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결된다.
센서 디바이스(40)는 제 1 센서 접촉 패드(60(1))와 전자 디바이스(42) 사이의 회로 보드 제 1 표면(47) 상에 배치된 양 단자(66)를 포함한다. 양 단자(66)는 예를 들면, 회로 보드 제 1 표면(47) 상에 형성된 전기 전도성 제 4 트레이스(57)에 의해 제 1 센서 접촉 패드(60(1))에 전기적으로 연결된다. 게다가, 센서 디바이스(40)는 제 2 센서 접촉 패드(60(2))와 전자 디바이스(42) 사이의 회로 보드 제 2 표면(48) 상에 배치된 음 단자(68)를 포함한다. 음 단자(68)는 예를 들면, 회로 보드 제 2 표면(48) 및 비아(59) 상에 형성된 전기 전도성 제 5 트레이스(58)에 의해 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결된다. 가요성 회로 보드(44)는 회로 보드 제 2 표면(48) 상에 배치된 음 단자(68)로부터 회로 보드 제 1 표면(47) 상에 배치된 양 단자(66)를 전기적으로 분리한다.
게다가, 전자 디바이스(42) 및 접촉 패드(60, 62, 64)는 모두 저 프로파일 요소이고, 그에 의해 센서 디바이스(40)는 전체적으로 얇다. 주어진 전자 디바이스(42)의 접촉 패드, 예를 들면 수신기(64)의 접촉 패드(64(1), 64(2))의 접촉 표면 사이의 간격에 대응하는 센서 디바이스 두께(ts)는 상대적으로 작다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 센서 디바이스 두께(ts)는 단일 전극 쌍 전지(20)의 두께의 2배 미만이다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 센서 디바이스 두께(ts)는 단일 전극 쌍 전지(20)의 두께 이하이다. 예를 들면, 여전히 다른 실시예에서, 센서 디바이스 두께(ts)는 밀봉재 층(36)의 두께 미만이다.
예를 들면, 일부 실시예에서, 센서 디바이스(40)의 두께는 전지(20)의 두께 이하이고, 이는 그 자신이 그것의 단일 전극 쌍 구조로 인해 얇다.
접촉 패드(60, 62, 64)는 회로 보드(44) 상에 배열되어 회로 보드(44)의 제 1 단부(45) 상의 접촉 패드(예로서, 송신기 및 수신기 접촉 패드(62(1), 62(2), 64(1), 64(2))가 통신을 위해 구성되고, 회로 보드(44)의 대향된 제 2 단부(46) 상의 접촉 패드(예로서, 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))가 전지 전압 감지 및 온도 감지와 같은 감지 기능 뿐만 아니라, 전력 송신을 위해 구성되게 한다.
도 5를 참조하면, 센서 디바이스(40)는 전지(20)에 연결되어 전체 센서 디바이스(40)가 전지(20)의 외부에 존재하게 한다. 특히, 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))를 포함하는 센서 디바이스(40)의 부분은 전지 주변 에지(23)를 따라 전지(20) 위에 놓이고, 제 2 센서 접촉 패드(60(2))는 전지(20)의 외향 표면에 전기적으로 연결된다. 도시된 실시예에서, 제 2 센서 접촉 패드(60(2))는 양극(22)에 전기적으로 연결되는데, 이는 전지(20)가 양극(22)이 최상위인 방향으로 적층되기 때문이다. 단자(66, 68), 전자 디바이스(42), 및 송신기 및 수신기 접촉 패드(62(1), 62(2), 64(1), 64(2))에 대응하는 부분을 포함하는 센서 디바이스의 나머지는 전지(20) 위에 놓이지 않고 대신에 전지(20) 옆에 배치된다.
도 6을 참조하면, 배터리 전지(20) 사이를 직렬 전기적 연결하는 경우에, 전지(20)는 맨위에 서로 적층되고, 이것은 감지 디바이스(40)가 통신 목적을 위해 서로 전기적 접촉하는 것을 허용한다. 예를 들면, 제 1 전지(20a)가 위에 놓이고 제 2 전지(20b)에 인접하도록 제 1 전지(20a) 및 제 2 전지(20b)가 직렬로 적층될 때, 대응하는 감지 디바이스(예로서, 제 1 감지 디바이스(40a) 및 제 2 감지 디바이스(40b))는 자동으로 정렬한다.
정렬된 구성에서, 제 1 센서 디바이스(40a)의 제 1 센서 접촉 패드(60(1))는 인접한 상부 전지(20c)의 전극, 예를 들면 음극(26)과 접촉하고, 제 1 센서 디바이스(40a)의 제 2 센서 접촉 패드(60(2))는 제 1 전지(20a)의 전극, 예를 들면 양극(22)과 접촉한다. 제 2 센서 디바이스(40b)의 제 1 센서 접촉 패드(60(1))는 제 1 전지(20a)의 전극, 예를 들면 음극(26)과 접촉하고, 제 2 센서 디바이스(40b)의 제 2 센서 접촉 패드(60(2))는 인접한 하부 전지(20d)의 양극, 예를 들면 양극(22)과 접촉한다.
대응하는 센서 디바이스(40)를 갖는 전지(20)가 직렬로 적층될 때, 전지(20) 사이에 배치되고, 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))에 의해 전지(20)에 연결되는 감지 디바이스(40)는 전지(20)로부터 전력을 끌어올 수 있다. 따라서, 배터리 전지 직렬 연결은 센서 디바이스(40)에 전력을 제공하기 위해 이용될 수 있어서, 충전 상태(SOC)의 균형을 맞추기 위해 센서 디바이스(40)가 감지 기능 및 배터리 전지의 제어된 전기 드레이닝과 같은 제어 기능을 수행하는 것을 가능하게 한다.
정렬된 구성에서, 제 1 센서 디바이스(40a)의 제 1 송신기 접촉 패드(62(1))는 인접한 상부 전지(20c)의 센서 디바이스(40c)의 제 2 송신기 접촉 패드(62(2))와 접촉하고, 제 1 센서 디바이스(40a)의 제 2 송신기 접촉 패드(62(2))는 제 2 센서 디바이스(40b)의 제 1 송신기 접촉 패드(62(1))와 접촉한다. 게다가, 제 2 센서 디바이스(40b)의 제 2 송신기 접촉 패드(62(2))는 인접한 하부 전지(20d)의 센서 디바이스(40d)의 제 1 송신기 접촉 패드(62(1))와 접촉한다.
마찬가지로, 제 1 센서 디바이스(40a)의 제 1 수신기 접촉 패드(64(1))는 인접한 상부 전지(20c)의 센서 디바이스(40c)의 제 2 수신기 접촉 패드(64(2))와 접촉하고, 제 1 센서 디바이스(40a)의 제 2 수신기 접촉 패드(64(2))는 제 2 센서 디바이스(40b)의 제 1 수신기 접촉 패드(64(1))와 접촉한다. 게다가, 제 2 센서 디바이스(40b)의 제 2 수신기 접촉 패드(64(2))는 인접한 하부 전지(20d)의 센서 디바이스(40d)의 제 1 수신기 접촉 패드(64(1))와 접촉한다.
도 7을 참조하면, 전지(20)가 적층된 구성일 때 통신 네트워크가 자동으로 형성되고, 이는 감지 디바이스(40)가 정렬된 구성으로 서로 맨 위에 배치되는 것을 야기한다. 정렬된 구성에서, 인접한 센서 디바이스(40a, 40b)의 송신기 접촉 패드(62)는 전기 접촉부를 형성하여, 그들이 서로 통신하고 직렬 네트워크를 형성하는 것을 허용한다. 마찬가지로, 인접한 센서 디바이스(40a, 40b)의 수신기 접촉 패드(64)는 전기 접촉부를 형성하여, 그들이 서로 통신하고 직렬 네트워크를 형성하는 것을 허용한다. 일부 실시예에서, 송신기 및 수신기는 센서 디바이스(40)가 네트워크 노드인 단일의 제어기 영역 네트워크(CAN)(90)에서 연결된다. 전지 스택(10)의 인접한 센서 디바이스(40) 사이의 전기적 연결은 통신 네트워크(90) 뿐만 아니라, 센서 디바이스(40)에 대한 개별적인 스터브(stubs)를 자동으로 생성한다. 유리하게, 통신 네트워크(90)는 외부 배선의 부가 없이 조립 공정 동안 자동으로 생성된다. 통신 네트워크(90)는 전지 사이의 뿐만 아니라, BMS(80)를 포함하는 다른 디바이스를 통한 통신을 허용한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 일 대안적인 실시예 센서 디바이스(140)는 일련의 직렬 배터리 전지(20)에서 충전 상태 밸런싱을 가능하게 하기 위해 전압 및 온도와 같은 배터리 전지 조건의 검출을 허용하고, 또한 배터리 전지 에너지의 드레이닝과 같은 기능을 능동적으로 수행하는 능력을 제공하는 가요성의 저 프로파일 디바이스이다. 게다가, 센서 디바이스(140)는 다수의 전지(20)가 적층된 구조로 배열될 때, 각각의 센서 디바이스(140)가 수동 연결, 용접 등을 필요로 하지 않고 통신 네트워크를 자동으로 형성하도록 구성된다. 이들 및 다른 특징은 하기에 상세하게 설명된다.
도 8 및 도 9에 도시된 센서 디바이스(140)는 도 3 및 도 4와 관련하여 상기 설명된 센서 디바이스(40)와 공통인 많은 요소를 포함하고, 공통 요소는 공통 참조 부호를 갖는다. 도 8 내지 도 10의 대안적인 실시예 센서 디바이스(140)는 양 및 음 단자(66, 68) 및 대응하는 트레이스(57, 58)가 생략되고, 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))와 전자 디바이스(42) 사이의 전기적 트레이스의 배열이 수정된다는 점에서 이전에 설명된 센서 디바이스(40)와 상이하다. 특히, 센서 디바이스(140)는 회로 보드 제 1 표면(47) 상에 배치되고 제 1 센서 접촉 패드(60(1))를 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결시키는 제 1 트레이스(51)를 포함한다. 게다가, 센서 디바이스(140)는 회로 보드 제 1 표면(47) 상에 배치되고 제 1 센서 접촉 패드(60(1))를 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결하는 제 6 트레이스(67), 및 회로 보드 제 2 표면(48) 상에 배치되고 비아(59)를 경유하여 제 2 센서 접촉 패드(60(2))를 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결하는 제 7 트레이스(69)를 포함한다.
도 10을 참조하면, 도 8 및 도 9의 센서 디바이스(140)는 또한, 도 8 내지 도 10의 센서 디바이스(140)가 전지(20)에 연결되어 센서 디바이스(140)의 일부가 전지(20) 내부에 존재하고 센서 디바이스(140)의 나머지가 전지(20)의 외부에 돌출하게 한다는 점에서 더 이전에 설명된 센서 디바이스(40)와 상이하다. 특히, 제 1 및 제 2 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))를 포함하는 센서 디바이스(40)의 부분은 전지 주변 에지(23)에 인접하도록 전지 내부에 존재한다. 제 1 센서 접촉 패드(60(1))는 전극 중 하나, 예를 들면 양극(22)의 내향 표면과 접촉하고 상기 양극의 내향 표면에 전기적으로 연결된다. 게다가, 제 2 센서 접촉 패드(60(2))는 다른 전극, 예를 들면 음극(26)의 내향 표면과 접촉하고 상기 음극의 내향 표면에 전기적으로 연결된다. 센서 디바이스(140)는 따라서, 그것이 연결되는 전지(20)에 의해 직접적으로 전력이 공급된다. 이 구성에서, 센서 디바이스(140)는 하나의 전지(20) 예로서, 그것이 부착되는 전지로부터 그것의 모든 전력을 끌어오는데, 이는 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))가 그 사이에 위치하여 전지 기판(22, 26)과 직접적으로 접촉하기 때문이다.
일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))는 밀봉재 층(36) 내에 내장된다. 특히, 제 1 및 제 2 센서 접촉 패드(60(1), 60(2))는 밀봉재 층(36)에 의해 전지(20) 내의 전해질로부터 분리된다.
도 10 및 도 11를 참조하면, 전자 디바이스(42)에 대응하는 부분을 포함하는 센서 디바이스(140)의 나머지, 및 송신기 및 수신기 접촉 패드(62(1), 62(2), 64(1), 64(2))는 전지(20)의 외부에 존재하고 전지(20) 옆에 배치된다. 이 구성은 전지(20)가 각각 센서 디바이스(140)를 포함하고 도 6 및 도 7과 관련하여 상기 논의된 바와 같이 적층된 구성으로 배열될 때 통신 네트워크의 자동 형성을 허용한다. 주어진 전지(20a)의 센서 디바이스(140a)와 인접한 전지(20b)의 센서 디바이스(140b) 사이의 물리적 접촉 만이 통신 네트워크(90)를 제공한다.
일부 실시예에서, 인접한 전지(20) 사이의 양호한 접촉을 보장하기 위해 외력이 적층 방향으로 전지 스택에 인가된다.
상기 설명된 실시예는 예로서 도시되었고, 이들 실시예가 다양한 수정 및 대안적인 형태에 영향을 받기 쉬울 수 있음이 이해되어야 한다. 청구항이 개시된 특정 형태로 제한되도록 의도되지 않고 오히려, 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 모든 수정, 등가물, 및 대안을 커버하도록 의도됨이 또한 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    적어도 2개의 전기화학 전지들(20)을 포함하고,
    상기 전기화학 전지 각각은,
    상기 전지의 외부 표면의 제 1 부분을 형성하고 양 전지 단자를 제공하는 단일 양극(22),
    상기 전지의 외부 표면의 제 2 부분을 형성하고 음 전지 단자를 제공하는 단일 음극(26),
    상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 분리기(30)로서, 상기 양극, 상기 음극 및 상기 분리기는 적층된 구성으로 배열되는, 상기 분리기(30),
    상기 양극의 주변 에지(23)와 상기 음극의 주변 에지(27) 사이에 밀봉을 연결하고 형성하는 밀봉재 층(36), 및
    회로 보드(44, 47, 48) 및 상기 회로 보드의 제 1 표면(47) 상에 지지되는 전자 디바이스(42)를 포함하는 센서 디바이스(40, 140)로서, 상기 전자 디바이스(42)는 센서 및 통신 디바이스를 포함하는, 상기 센서 디바이스(40, 140)를 포함하고,
    상기 통신 디바이스는 상기 센서에 의해 생성된 정보를 배터리 모니터링 시스템(BMS)으로 송신하도록 구성된 송신기 및 상기 BMS로부터의 명령들을 포함하는 정보를 수신하는 수신기를 포함하고,
    상기 센서 디바이스는 또한 상기 회로 보드의 상기 제 1 표면 상에 배치된 전기 전도성 제 1 센서 접촉 패드(60(1)) 및 상기 회로 보드의 제 2 표면(48) 상에 배치된 전기 전도성 제 2 센서 접촉 패드(60(2))를 포함하고, 상기 제 1 센서 접촉 패드(60(1))는 상기 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 센서 접촉 패드 및 상기 제 2 센서 접촉 패드는 서로 대향하여 배열되고 상기 제 1 표면에서 제 2 측면으로 상기 회로 보드를 관통하는 제 1 비아(61)에 의해 전기적으로 연결되고,
    상기 센서 디바이스는 또한 상기 회로 보드의 상기 제 1 표면 상에 배치되는 제 1 송신기 접촉 패드(62(1)) 및 상기 회로 보드의 상기 제 2 표면(48) 상에 배치되는 제 2 송신기 접촉 패드(62(2))를 포함하고, 상기 제 1 송신기 접촉 패드(62(1))는 상기 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 송신기 접촉 패드 및 상기 제 2 송신기 접촉 패드는 서로 대향하여 배열되고 상기 제 1 표면에서 상기 제 2 측면으로 상기 회로 보드를 관통하는 제 2 비아(62)에 의해 전기적으로 연결되고,
    상기 센서 디바이스는 또한 상기 회로 보드의 상기 제 1 표면 상에 배치되는 제 1 수신기 접촉 패드(64(1)) 및 상기 회로 보드의 상기 제 2 표면(48) 상에 배치되는 제 2 수신기 접촉 패드(64(2))를 포함하고, 상기 제 1 수신기 접촉 패드(64(1))는 상기 전자 디바이스(42)에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 수신기 접촉 패드 및 상기 제 2 수신기 접촉 패드는 서로 대향하여 배열되고 상기 제 1 표면에서 상기 제 2 측면으로 상기 회로 보드를 관통하는 제 3 비아(65)에 의해 전기적으로 연결되고,
    상기 센서 디바이스는 또한 상기 회로 보드의 상기 제 1 표면 상에 배치되는 양극 단자(66) 및 상기 회로 보드의 상기 제 2 표면(48) 상에 배치되는 음극 단자(68)를 포함하고, 상기 양극 단자(66)는 상기 제 1 센서 접촉 패드(60(1))에 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 단자(68)는 상기 전자 디바이스(42)에 제 4 비아(59)에 의해 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 단자는 서로 대향하여 배열되고,
    상기 센서 접촉 패드들은 상기 전지 주변 에지(23)를 따라 상기 전기화학적 전지(20) 위에 놓이는 상기 센서 디바이스(40)의 제 1 측 부분 상에 배열되고, 상기 제 2 센서 접촉 패드(60(2))는 상기 양극(22)에 전기적으로 접촉하고,
    상기 단자들(66, 68), 상기 전자 디바이스(42), 및 상기 송신기 및 수신기 패드들(62(1), 62(2); 64(1), 64(2))에 대응하는 부분들을 포함하는 상기 센서 디바이스(40)의 나머지는 상기 전지(20) 옆에 배치되고,
    상기 전지들은, 제 1 전지(20(a))의 제 1 센서 디바이스(40(a))의 상기 제 1 센서 접촉 패드(60(1))가 인접한 상부 제 2 전지(20c)의 상기 음극(26)과 접촉하고 상기 제 1 센서 디바이스(40a)의 상기 제 1 송신기 접촉 패드(62(1))가 상기 인접한 상부 제 2 전지(20c)의 제 2 센서 디바이스(40c)의 상기 제 2 송신기 접촉 패드(62(2))와 접촉하고 상기 제 1 센서 디바이스(40(a))의 상기 제 1 수신기 접촉 패드(64(1))가 상기 제 2 센서 디바이스(40c)의 상기 제 2 수신기 접촉 패드(64(2))와 접촉하고 상기 제 1 센서 디바이스(40(a))의 상기 양극 단자(66)가 상기 제 2 센서 디바이스(40c)의 상기 음극 단자(68)와 접촉하는 정렬된 구성에서 서로 맨위에 적층되는, 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로 기판은 가요성(flexible)인, 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 디바이스는 배터리 전지 모니터링 기능 및 배터리 전지 제어 기능 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는 집적 회로인, 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 센서 디바이스는 상기 센서 디바이스가 연결되는 상기 전기화학 전지 중 하나의 전기화학 전지에 의해 전력이 공급되는, 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 센서 디바이스는 인접한 센서 디바이스 사이의 직렬 연결의 형성 시에 전력이 공급되도록 구성되는, 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 모듈 하우징을 포함하고, 상기 전기화학 전지는 상기 모듈 하우징 내에 배치되는, 배터리 모듈.
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